split4g

3GPP5G无线网络架构标准化进展

曹亘;吕婷;李轶群;冯毅

【摘要】为了研究3GPPR155G无线网络架构标准化进展,重点介绍了5G网络架

构设计、协议栈功能、CU/DU功能切分、多连接功能、RRC功能等技术研究和标

准化工作,最后探讨了后续5G标准制定需关注的重点工作.

【期刊名称】《移动通信》

【年(卷),期】2018(042)001

【总页数】8页(P7-14)

【关键词】5G无线网络架构;3GPPR15;5G网络演进

【作者】曹亘;吕婷;李轶群;冯毅

【作者单位】中国联合网络通信有限公司网络技术研究院,北京100048;中国联合

网络通信有限公司网络技术研究院,北京100048;中国联合网络通信有限公司网络

技术研究院,北京100048;中国联合网络通信有限公司网络技术研究院,北京

100048

【正文语种】中文

【中图分类】TN929.5

1引言

2017年3月，3GPPRAN#74次全会通过5GNewRadio（NR），即5G新空

口技术标准化时间表[1]，如图1所示。按照3GPPRAN规划时间表，至2017年

12月，3GPP将完成Non-Standalone（NSA）Option3（包含支持低时延）架

构的标准制定工作；于2018年3月完成NASOption3架构ASN.1标准冻结。

其余NSA和Standalone（SA）架构将在2018年6月完成标准制定，ASN.1将

于2018年9月全部冻结。

根据3GPPR15Phase1标准进展，本文从网络架构、协议栈功能、CU/DU功能

切分、无线多连接功能、RRC功能等介绍现阶段R15标准主要工作及其进展。

2NSA和SA网络架构概述

3GPPR14阶段在NR候选网络架构[2]课题已开展大量技术方案研究工作，其中

网络架构主要按照4G和5G基站耦合方式，划分为Non-Standalone（NSA）紧

耦合架构和Standalone独立架构两种架构。其中，NSA网络架构根据无线接入

网演进需求，考虑连接EPC和5G核心网（5GC）两种场景（如图2所示）。连

接EPC的NSA网络架构[3]（图2左图）中，eNB之间、eNB与en-gNB之间为

X2接口；而en-gNB之间仅有X2用户面（X2-U）接口。en-gNB基站的控制面

由eNB处理，不能独立处理控制面相关功能，仅支持处理NR用户面数据。目前，

3GPP以Option3/3A/3X架构为R15阶段1的重点工作。连接5G核心网的

NSA网络架构[4]（图2右图）中，ng-eNB与gNB之间、gNB之间为Xn接口

连接。gNB与gNB之间的Xn接口功能与网络架构类型相关（如Option

7/7A/7X和Option4/4A）。

NSA组网方案基于LTE与NR紧耦合架构，3GPP重点关注Option3/3A/3X

（如图3所示）、Option7/7A/7X（如图4所示）、Option4/4A（如图5所示）

三种网络架构方案。核心网与无线侧主基站（MN,MasterNode）之间存在唯一

的控制面连接，而核心网可以与辅基站（SN,SecondNode）建立用户面连接，

如eNB/ng-eNB基站或gNB/en-gNB基站。在双连接模式下，LTE基站或NR

基站中只有一个基站为主基站，另一个基站为辅基站。主基站与核心网之间存在控

制面连接，具备完整的协议栈功能。辅基站只有用户面数据转发、处理等功能，用

户面相关的控制信令需要经过主基站与核心网进行通信。

Standalone（SA）独立组网架构，5G网络是一张独立于4G网络的全新网络。

3GPP只讨论2种SA网络架构Opion2（图6左图）与Option5（图6右图）。

在Option2架构中，gNB只连接5G核心网（5GC）。而Opiton5架构中，

eLTEeNB只连接至5GC，eLTEeNB是指支持5G核心网并且具备E-UTRA空口

能力的eNB基站。

图13GPPRANR15标准化时间表

图24G和5G紧耦合网络架构图注：en-gNB为部署在E-UTRAN场景（即核心

网为EPC）的gNB，仅具备独立处理用户面功能；ngeNB为NG-RAN场景（即

核心网为5GC）的eLTEeNB基站，R14阶段定义为eLTEeNB，R15阶段重新

定义为ng-eNB，二者可互换使用。

3无线协议架构概述

3GPP在R15第一阶段的标准制定工作，重点解决NR协议栈以及NSA网络架构

的协议功能设计，其中控制面协议栈（图7左图）和用户面协议栈（图7右图）

是两个重要的设计内容[3-4]。

3.1控制面架构

NR控制面协议与LTE控制面协议栈架构基本一致，主要区别在于控制面连接的核

心网网元为AMF，其中NAS控制协议相关功能参考文献[5]，

PDCP/RLC/MAC/PHY协议功能参考NR系列协议文献[6-9]。

为了支持NSA架构，控制面协议栈设计如图8所示，UE与核心网仅通过LTE或

者NR保持RRC连接。例如Option3/3A/3x架构，控制面是通过eNBRRC功

能实现。但是eNB（图8中MeNB）和en-gNB（图8中SgNB）都有RRC实体

单元。其中，en-gNB生成的RRCPDU通过eNB转发给UE；eNB必须通过

SRB1消息转发InitialSNRRC配置消息，但是重配置消息可以由eNB或者en-

gNB发送。eNB不能修改en-gNB生成的RRC消息。

图3Options3/3A/3X架构

图4Options7/7A/7X架构

图5Options4/4A架构

图7NR控制面和用户面协议栈

图6独立组网架构

图8NSA架构控制面协议栈注：LTE特指E-UTRA空口接入技术，NR特指5G

空口接入技术。

若gNB/en-gNB作为辅助节点，UE会被配置建立SRB3（SRB3是EN-DC和

NGEN-DC场景，en-gNB/gNB与UE之间直接建立的SRB类型），从而

gNB/en-gNB可与UE之间发送RRCPDU。仅有RRC重配置信息可以由

gNB/en-gNB发送给UE，在SRB3配置的前提下，移动性测量报告可以由UE直

接发送给gNB/en-gNB。为了支持RRCPDU冗余传输，eNB可以从直传路径和

gNB/en-gNB分流路径生成MCGSplitSRB，现在3GPP标准还不支持SCG

SplitSRB技术方案。

3.2用户面架构

与LTE用户面协议相比，NR用户面协议新增SDAP协议层，该层协议主要包括

两个功能：Qosflow与数据无线承载的映射功能，上行/下行数据包QosflowID

（QFI）标记。为了支持NSA架构，用户面功能设计需要考虑不同的网络架构。

在MR-DC场景（MR-DC泛指E-UTRAN和NRDC组合，包括ENDC、NGEN-

DC和NE-DC三种），定义了终端需支持三种承载类型，分别是MCG承载、

SCG承载和Split承载。Split承载可以是MCGSplit承载，也可以是SCGSplit

承载。在EN-DC场景，如图9所示，网络侧为MCG配置E-UTRANPDCP或者

NRPDCP，但是NRPDCP只能用于配置SCG和Split承载。

在连接5GC的MR-DC场景仅有NRPDCP，不存在E-UTRANPDCP协议层。

在连接5GC的E-UTRAN和NRDC场景（即NGEN-DC，MN为ng-eNB，SN

为gNB），E-UTRANRLC/MAC用于MN，NRRLC/MAC用于SN。在NR和

E-UTRANDC场景（即NEDC，MN为gNB，SN为ng-eNB），NRRLC/MAC

用于MN而E-UTRANRLC/MAC用于SN。

从网络侧角度看，由于各种承载（MCG、SCG和Split承载）都可终结于MN或

SN，网络侧协议设计更加复杂。EN-DC场景存在三种类型承载（图10（a））；

NGEN-DC、NE-DC场景存在三种类型承载（图10（b））。

45GgNBCU/DU功能切分架构

3GPPR14细致研究并比较各种NRRAN逻辑功能切分方案[2]，其中包括高层切

分方案（Option1、Option2和Option3及其子方案）和低层切分方案

（Option4～8及其子方案）。R15基于Option2（PDCP/RLC层切分）架构继

续开展标准制定工作，同时，3GPP也开展基于低层Option6/7/8功能切分的多

种技术方案研究[10]，以及在eNB/ng-eNBCU/DU高层切分技术方案研究[11]。

gNBCU/DU功能切分场景下，NG-RAN网络架构如图11所示。gNB可以由1

个gNB-CU和多个gNB-DU组成，gNB之间通过Xn接口连接，gNB-CU和

gNB-DU之间通过F1接口连接，gNB-DU可以连接一个或多个gNB-CU。

gNB-CU支持RRC、SDAP和PDCP协议栈功能（连接5GC场景），或者RRC

和PDCP协议栈功能（连接EPC场景），gNB-CU可以管理一个或多个gNBDU。

gNB-DU支持RLC、MAC和PHY协议栈功能。按照3GPP协议规定，gNB-DU

只能支持一个逻辑小区，暂不支持多个逻辑小区。

图9用户面协议栈架构（终端侧）

NG-RAN网络架构中，NG[12]、Xn[13]和F1[14]接口功能对比如表1所示。NG

接口是5GC与NG-RAN之间接口，但过载功能和AMF负载功能还未完成。Xn

接口为NG-RAN水平接口，Xn接口功能（与X2接口功能类似）基本制定完成。

F1接口为gNBCU/DU功能切分架构下gNB-CU和gNB-DU之间的逻辑接口，

目前F1接口规范支持的功能最少，后续仍需要大量标准化工作以支持异厂家设备

的互通性。

图10MCG/SCG/Split承载示意图（网络侧）

图11gNBCU/DU功能切分方案

gNB-CU和gNB-DU分离架构，CU和DU功能切分按照F1接口功能进行相关技

术方案设计。3GPP制定F1接口功能（如表2所示）。目前，根据3GPP标准进

展，初步划分gNB-CU和gNB-DU需支持的功能，如表3所示。由于3GPP技

术规范制定进度有差异，虽然gNB-CU或gNB-DU可支持某些功能，但不表示标

准已完全支持该功能。3GPP标准支持intra-gNB-CU场景下inter-/intra-DU移

动性功能，以及EN-DC场景下intergNB-DUMCGSRB/SCGSRB移动性功能的

标准。

5Multi-Connectivity标准进展

多连接（Multi-Connectivity）流程主要参考LTE双连接（DC）相应流程[16]，

标准[3]已制定EN-DC和连接5GCMR-DC两类场景，支持如下功能流程：

（1）SecondaryNodeAddition；

（2）SecondaryNodeModification（MN/SN发起）；

（3）SecondaryNodeRelease（MN/SN发起）；

表1NG-RAN接口功能类别NG接口Xn接口F1接口控制面功能寻呼功能用户

上下文管理功能移动性管理功能PDU分段管理功能NAS转发功能NAS节点选择

功能NG接口管理功能告警信息发送功能配置转发功能Trace功能AMF管理功能

过载功能[FFS]AMF负载均衡功能[FFS]Xn接口管理和差错处理功能Xn建立公共

功能差错指示功能Xn重置功能Xn配置数据更新功能Xn移除功能用户移动管理

功能切换准备功能切换取消功能恢复用户上下文功能寻呼功能数据转发控制功能

F1接口管理功能系统信息管理功能F1UE上下文管理功能RRC消息转发功能用

户面功能基本转发功能用户数据转发功能流控功能用户数据转发功能流控功能

表2F1接口功能分类功能分类功能定义F1接口管理功能F1接口控制面功能F1

接口差错指示F1接口重置发起F1接口建立F1接口配置更新系统信息管理功能

系统广播信息调度系统消息编码UE上下文建立UE上下文修改UE上下文释放

Qosぼow和无线承载映射RRC消息转发功能特定RRC消息编码F1接口用户面

功能F1UE上下文管理功能用户数据转发功能数据传输流控功能下行数据发送状

态（DDDS）[15]

（4）SecondaryNodeChange（MN/SN发起）；

（5）PSCellChange；

（6）Inter-MasterNodehandoverwith/withoutSecondaryNodeChange；

（7）MasterNodetoeNB/gNBChange；

（8）eNB/gNBtoMasterNodeChange；

（9）RRCTransfer；

（10）SecondaryRATdatavolumereporting。

连接5GC场景的MR-DC场景（NGEN-DC和NE-DC场景）也需要定义上述流

程，3GPP将于2018年6月最终制定完成。

6RRC功能

目前，3GPPR15协议对MR-DC场景下，RRC相关功能已基本完成。主要功能

如下[3]：

（1）系统信息：MR-DC场景，SN只广播无线帧定时和SFN信息。MN通过特

定的RRC信令为UE配置初始接入信息，包括无线帧定时信息等。

（2）测量：支持SN添加/更改、intra-SN移动等场景，MN或SN为UE配置

RRC测量信息。在EN-DC场景，eNB需要根据NRRRC编码测量配置信息。

（3）终端能力协同：SNRRC重配置信息封装在MNRRC消息，MN和SN采用

NRPDCP配置。

（4）SRB3：SN可建立SRB3，使用NR-DCCH逻辑信道传输。SRB3传输的

RRCPDU采用NRPDCP加密和完整性保护；但采用E-UTRANMCGSRB传输

的NRSCGRRC消息采用E-UTRAMCGSRB加密。

（5）SplitSRB：SplitSRB支持SRB1和SRB2。SplitSRB传输RRCPDU采用

NRPDCP协议加密和完整性保护。MN和SN都可配置SplitSRB，UE可同时配

置SplitSRB和SRB3。SRB3和SCGSplitSRB可独立配置。SplitSRB可独立选

择下行传输路径，UE也可通过MNRRC信令确定上行MCG路径或/和SCG路径。

（6）SCG/MCG失败处理：MCG和SCG处理无线链路失败（RLF）采用不同的

方案。MCGRLF发生后，UE在MN（即DC架构的Pcell）发起RRC连接重建

立流程。EN-DC和NGEN-DC场景下，SCG失败需支持四种场景：SCGRLF、

SN修改失败、SRB3传输的SCG配置失败和SCGRRC完整性检验失败。

（7）UE标识：MR-DC场景，UE独立分配两个C-RNTI，一个用于MCG，另一

个用于SCG。

75G标准化工作总结及展望

3GPPRAN于2017年12月RAN#78次全会正式宣布完成R15阶段1-NSA

Option3/3A/3X协议标准制定，2018年3月按计划将冻结R15阶段1ASN.1。

本文总结了R15协议中NSAOption3/3A/3X，完成了网络架构、协议栈功能、

接口等相关标准，以及gNBCU/DU功能分离架构。但是，3GPP还需要继续完

善L1/L2协议设计以及相关流程和信息设计。展望R15后续工作，3GPP在R15

时间表需要完成SA组网场景的Option2和Option5架构；NSA组网场景的

Option4/4x、Option7/7A/7x等架构的标准制定工作。

表3gNBCU-DU架构功能支持情况gNB功能gNB-CUgNB-DUIP头压缩，加

密和完整性保护AMF选择用户面数据路由至UPF控制面信息路由至AMF上行传

送数据包标记分段管理Qosぼow管理和资源映射NAS消息分发支持否连接建

立和释放支持NG，Xn和F1接口支持F1接口系统广播信息的调度和发送标准

部分支持标准部分支持支持网络切片寻呼信息调度和发送支持UE

RRC_INACTIVE状态标准未讨论清楚标准未讨论清楚无线资源管理双连接功能移

动性和调度的测量和测量报告配置NR和E-UTRAN紧耦合支持支持

3GPP5G标准制定也需要考虑同步推进终端设计和核心网标准工作。在5G终端

指标方面，需要解决LTE和NR部署频段潜在的干扰问题、终端发射功率对上行

覆盖影响等问题。而在5G核心网标准方面，仍需加快5GC功能制定，支持与4G、

3G等系统间互操作等功能。

随着国内5G商用步伐日趋加快，3GPPR15系列标准的冻结（2018年9月）必

将加快5G试商用/商用部署节奏，运营商、主设备厂家、终端厂家等产业链合作

伙伴需要通力协作，密切配合，加快国内5G网络建设步伐，以早日实现5G网络

商用部署。

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曹亘：高级工程师，博士毕业于北京邮电大学，现任职于中国联合网络通信有限公

司网络技术研究院无线技术研究部，从事无线新技术研究和标准化、5G网络架构、

无线接入演进方案及新技术试验等工作。

吕婷：高级工程师，硕士毕业于北京邮电大学，现任职于中国联合网络通信有限公

司网络技术研究院无线技术研究部，从事无线新技术研究、设备能力及网络演进方

案、新技术试验等工作。

李轶群：技术专家，博士毕业于北京邮电大学，现任职于中国联合网络通信有限公

司网络技术研究院无线技术研究部，从事无线技术研究及技术管理工作。